2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Cirrocumuluswolke entsteht durch Eiskristallisation aus stark unterkühlten Wassertröpfchen
Zum ersten Mal gelang es Physikern, Wassertröpfchen auf −42,55 Grad Celsius zu unterkühlen, was mehr als ein Grad niedriger ist als der zuvor bestätigte Rekord. Zum Kühlen wurde eine Methode der schnellen Vakuumverdampfung verwendet, und die Temperatur wurde aus Raman-Streuungsdaten basierend auf der Größe der Tröpfchen bestimmt, so die Wissenschaftler in Physical Review Letters.
Wenn Wasser unter Nichtgleichgewichtsbedingungen abgekühlt wird, kann es auch bei Temperaturen weit unter seinem Schmelzpunkt (dh null Grad Celsius) in einem flüssigen Zustand bleiben. Dieses Wasser wird als unterkühlt bezeichnet und für seine Herstellung ist es erforderlich, dass es keine Kristallisationszentren enthält. Es ist ziemlich schwierig, Wasser um mehr als einige Grad zu unterkühlen, daher sind alle experimentellen Aufzeichnungen zur Gewinnung des kältesten flüssigen Wassers für sehr reine Mikrotröpfchen bekannt, die nicht mit festen Oberflächen in Kontakt kommen.
Bis heute lag die niedrigste Temperatur, bei der Mikrotröpfchen Wasser in flüssigem Zustand gehalten und gleichzeitig zuverlässig gemessen werden konnten, bei ca unter natürlichen Bedingungen in den Wolken in der oberen Atmosphäre zu finden). Gleichzeitig ist nach den Ergebnissen der theoretischen Analyse und Computermodellierung bekannt, dass die minimale Temperatur, bei der Wasser noch in einem metastabilen flüssigen Zustand existieren kann, etwa -45 Grad beträgt, unterhalb der der unterkühlte Zustand bereits instabil ist.
Ein Team von Physikern aus Deutschland, Frankreich, Spanien und Italien um Robert E. Grisenti von der Goethe-Universität Frankfurt schlug vor, die Schnellverdampfungsmethode im Vakuum zur Unterkühlung von Wassertröpfchen zu verwenden. Der Hauptnachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass es ziemlich schwierig ist, die Temperatur bei einer solchen Kühlung genau zu bestimmen. Um dieses Problem zu lösen, schlugen die Autoren der Arbeit vor, die Methode der Raman-Lichtstreuung zu verwenden. Durch die Messung der Frequenzverschiebung des Raman-Peaks lässt sich mit sehr guter Genauigkeit die Größenverteilung der Tröpfchen im Strahl bestimmen, aus der dann der Massenverlust beim Verdampfen und anschließend die Tröpfchentemperatur berechnet werden kann. Die Genauigkeit dieser Methode beträgt laut Wissenschaftlern etwa 0,5 Grad.
Daten zur Änderung der Größe (oben) und Temperatur (unten) des Tröpfchens während der ultraschnellen Verdampfung im Vakuum. Die Symbole ganz rechts entsprechen Tropfen, bei denen die Eiskristallisation bereits begonnen hat
Mit dem vorgeschlagenen Ansatz gelang es den Wissenschaftlern, Tröpfchen, deren anfängliche Größe etwa 6,3 Mikrometer betrug, auf eine Temperatur von -42,55 Grad Celsius abzukühlen, was selbst unter Berücksichtigung eines ziemlich großen Fehlers um mehr als ein Grad niedriger ist als die vorheriger Rekord, der durch ein zuverlässiges Messverfahren bestimmt wurde. Die Autoren der Arbeit stellen fest, dass sie in einer der Arbeiten bereits über die Unterkühlung noch größerer Tröpfchen auf die gleichen Temperaturen wie in dieser Arbeit geschrieben haben, die Autoren der vorherigen Studie jedoch höchstwahrscheinlich die mögliche Erwärmung nicht berücksichtigt haben Tröpfchen als Folge der Bestrahlung. Die Zuverlässigkeit des in dieser Arbeit vorgeschlagenen Temperaturmessverfahrens muss noch überprüft werden.
Wissenschaftler berichten, dass mit der vorgeschlagenen Methode auch größere Tröpfchen auf ausreichend niedrige Temperaturen gekühlt werden können. Darüber hinaus ermöglicht die Methode der Raman-Streuung gleichzeitig mit der Tröpfchengröße, den Zustand der Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff innerhalb von Molekülen und Wasserstoffbindungen zwischen Molekülen zu überwachen. Auf Basis der gewonnenen Daten erhoffen sich die Wissenschaftler künftig Erkenntnisse über die Strukturänderung von Wasserstoffbrücken in Wasser bei Unterkühlung auf kritisch tiefe Temperaturen. Nach Ansicht der Studienautoren werden insbesondere die Ergebnisse der Arbeit dazu beitragen, die bei der Kristallisation von Eis in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse genauer zu untersuchen und zuverlässigere Klimamodelle zu erstellen.
Da die Eiskristallisationsgeschwindigkeit aus unterkühltem Wasser sehr hoch ist, ist auch die experimentelle Untersuchung dieses Prozesses ziemlich schwierig. Zur Beobachtung der Kristallisationsfront nutzen insbesondere Wissenschaftler die Bestrahlung mit kurzen Laserpulsen von halbschwerem Wasser. Mit dieser Methode beschrieben amerikanische Physiker die Kristallisation von Eis aus auf -90 bis -10 Grad Celsius unterkühltem Wasser und zeigten, dass die Wachstumsgeschwindigkeit eines Kristalls je nach Temperatur um 11 Größenordnungen unterschiedlich sein kann.
